Qu’est-ce que la fibre de carbone ?
La fibre de carbone est une fibre dont la composition est en grande partie constituée de carbone, ce qui la rend légère et résistante.
Elle est fabriquée par ignifugation d’un composé organique sous forme de fibre, suivie d’un traitement thermique à haute température (frittage) à 1 000 °C ou plus, qui élimine les atomes d’hydrogène et d’azote du composé organique utilisé comme matière première et augmente la teneur en atomes de carbone à plus de 90 %.
Utilisations de la fibre de carbone
La fibre de carbone de carbone est utilisée dans de nombreux domaines comme substitut aux matériaux métalliques, grâce à sa capacité à réduire le poids tout en conservant la résistance. En outre, sa flexibilité, sa conductivité électronique, sa résistance à la corrosion et sa résistance à la flamme lui permettent d’être utilisée dans un large éventail d’applications.
La fibre de carbone est rarement utilisée seule, mais elle est généralement employée comme matériau composite de fibre de carbone en combinaison avec des matériaux tels que les résines, les céramiques et les métaux. Elle est notamment utilisée dans les avions, les fusées et les satellites, où elle doit être légère et très résistante, dans l’orthopédie chirurgicale, comme les membres artificiels, et dans les équipements de soins infirmiers, comme les fauteuils roulants et les lits de soins infirmiers, car elle est légère et facile à manipuler.
Dans le secteur automobile en particulier, elle peut contribuer à réduire la consommation de carburant grâce à l’allègement des véhicules. C’est pourquoi la fibre de carbone a attiré l’attention et a été utilisée dans les véhicules de course dès les premiers jours de son développement. En raison de sa résistance et de son module d’élasticité élevés, elle trouve également des applications dans le secteur des articles de sport, tels que les arbres de golf, les cannes à pêche, les moulinets, les cadres de vélo, les raquettes de tennis, les skis et les snowboards.
À l’avenir, la fibre de carbone devrait également être utilisée dans les domaines de la construction et du génie civil, par exemple pour renforcer la résistance aux tremblements de terre en attachant des feuilles de fibre de carbone aux structures en béton et comme matériau de substitution pour les câbles des ponts suspendus et les cadres en acier.
Types de fibres de carbone
Les fibres de carbone sont classées en deux types en fonction de leurs matières premières : les fibres de carbone à base de PAN et les fibres de carbone à base de brai. Actuellement, les fibres de carbone à base de PAN constituent le courant dominant, représentant 90 % de la production mondiale de fibres de carbone.
1. Fibre de carbone à base de PAN
La fibre PAN est une fibre de carbone fabriquée à partir de fibres de polyacrylonitrile (PAN), qui présente une résistance et un module d’élasticité extrêmement élevés. Elle est largement utilisée dans des domaines industriels exigeant une grande fiabilité, comme l’industrie spatiale, et dans des applications plus familières telles que les articles de loisirs et de sport.
C’est dans le secteur industriel qu’elle est le plus utilisée. Dans le secteur automobile, elle est utilisée dans les capots, les spoilers, les réservoirs d’essence et de nombreuses autres pièces. Elle est également utilisée comme matériau de remplacement pour les pièces métalliques telles que les ressorts à lames et les engrenages.
2. Fibre de carbone à base de brai
La fibre de carbone à base de brai se caractérise par un module d’élasticité réglable. C’est pourquoi elle est utilisée dans des pièces qui ne nécessitent pas une grande élasticité et, inversement, dans des produits qui nécessitent une grande élasticité. La fibre de carbone à base de brai se subdivise en fibres de brai mésophase et en fibres de brai isotropes.
Les fibres de brai mésophase sont optiquement anisotropes, les molécules de la matière première étant orientées dans un état cristallin liquide. Les fibres de brai mésophase qui en résultent sont des fibres de carbone haute performance (HPCF) à haute résistance et haut module. Le brai isotrope, quant à lui, présente une orientation aléatoire de ses molécules constitutives et est optiquement isotrope.
Les fibres de brai isotrope qui en résultent sont inférieures aux fibres de brai mésophase pour ce qui est des propriétés mécaniques telles que la résistance et le module, mais ont par ailleurs des performances comparables et sont des fibres de carbone à usage général (GPCF) avec un module plus faible.
Autres informations sur la fibre de carbone
Comment la fibre de carbone est-elle produite ?
En fonction de la matière première, la fibre de carbone peut être à base de PAN ou de brai.
- Ignifugation : le chauffage à une température de 200-300°C dans l’air oxyde les fibres et les empêche de fondre dans les processus ultérieurs.
- Carbonisation : le chauffage à une température de 800-1600 °C dans une atmosphère inerte élimine l’hydrogène, l’azote et l’oxygène de la fibre.
- Graphitisation : la graphitisation du carbone par chauffage à 2 500-3 000 °C dans une atmosphère inerte permet d’améliorer le module d’élasticité.
1. Fibre de carbone à base de PAN
Fabriquée à partir de fibres acryliques (fibres PAN). Dans le processus de résistance à la flamme, les molécules des fibres acryliques sont chauffées à 200-300 °C dans l’air pour former une structure cyclique. Dans le processus de carbonisation, une chaleur de plus de 1000 °C est appliquée dans un gaz inerte pour transformer la structure moléculaire en une structure de carbone cristallin.
À la fin du processus de carbonisation, on obtient des fibres de carbone présentant une résistance et un module d’élasticité élevés, mais après avoir subi le processus de graphitisation, au cours duquel une chaleur de 2 000 °C ou plus est appliquée, on obtient des fibres de graphite présentant une résistance légèrement inférieure mais un module d’élasticité élevé.
2. Fibre de carbone à base de brai
Les fibres de carbone à base de brai sont obtenues par fibrage et frittage du brai de houille et du brai de pétrole qui subsistent après la distillation du goudron obtenu par distillation sèche du charbon et du pétrole. Les fibres longues sont fabriquées à partir du brai dans un processus de filage par fusion avant le processus de résistance à la flamme, qui est ensuite stabilisé pour obtenir des fibres précurseurs. Les fibres précurseurs sont retardées à la flamme, carbonisées et graphitées de la même manière que les fibres de carbone à base de PAN pour produire des fibres de carbone à base de brai.